JPS6344136A

JPS6344136A - 偏光測定用ヘテロダインマイケルソン干渉計

Info

Publication number: JPS6344136A
Application number: JP62192770A
Authority: JP
Inventors: リツカルド・カルバニ; レナト・カポニ; フランチエスコ・チステルニノ
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: TIM SpA
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1987-08-03
Publication date: 1988-02-25
Also published as: DE255953T1; EP0255953A2; DE3776026D1; IT8667643A0; EP0255953B1; CA1308938C; JPH0245138B2; IT1195127B; US4832492A; EP0255953A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は偏光測定に関するものであって、かつ。

透明もしくは反射体から出現する輻射の偏光状態を決定
するためのマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　）　干
渉計へよシ特別に関するものである。

光輻射を送出する、あるいは反射する物体は、その輻射
の偏光状態中に変動を導入し得ることは周知である。該
物体より出現する輻射偏光状態の知識は光学特性に関し
て該物体を完全に特性うけ・る友めに重要であって、か
つ、これらの現象は輻射が等しく偏光され７′ｃ場合の
みに発生するので干渉、即ち、輻射間のビートを利用す
るに当って必要不可欠である。

可能な応用は、決定され几偏光状態を有するファイバー
の使用を必要とし、分類光学、光学的可干渉性即ちヘテ
ロダイン通信（ビートに基い友）及び光学ファイバーセ
ンサー即ちジャロスコープ（ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ　）の
良く知られた利用を含む。

偏光された輻射は、Ｘ　ｓ　７の直交軸を有する規準系
内の電磁界成分によって特性化出来る。電界のみを考え
ると、二成分は、Ｅｘ　＝　ａ　／部ωｔＥｙ　＝　ａ　２ｃｔｓ　（ωｔ＋φ）（１）で与えら
れる。ここで、ａ／　、　＆、２は二成分の振巾、φは
相対位相である。偏光状態を決定するためＫ、ユ振中間
の比ａ２１ａ／及び位相φを測定することが必要であっ
て、その記号Ｖｉｔの変化に対して平面Ｅｘ　、　Ｅｙ
上に描かれる、偏光像の回転方向を画定する。これらの
！値よシ、テスト下の物体を特性化するために必要な、
即ち単一モード光学ファイバーの偏光ビート長がその上
さらに、情報として得ることが可能となる。

従来技術の説明干渉計技術は時間変化偏光状態を決定するために、その
有益性全立謹した。−例として、マクーゼンダ−（Ｍａ
ｃｈ　−Ｚｅｉｘｎｄｅｒ　）干渉計が発明者によって
７７ｇ５年３月７３日、光学通信、第３４巻第２号中に
”実時間偏光測定用ヘテログインマクーゼングー偏光計
″の記事、及び１７ｇ５年７０月、１００Ｃ−ＥＣ０Ｃ
のペニス（Ｖｅｎｉｃｅ　）に開示された“実時間ファ
イバー偏光測定用高速ヘテロダイン干渉計″の紙面中で
説明されている。

しかしながら、この解決は決定される偏光状態による系
統的誤差、従って簡単な測定器較正によって除去出来な
い該誤差を避ける几めに共用平■である装置内に光ビー
ムのすべてを必要とする。

マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　）干渉計は源から
放射された光が再帰反射されるニビームに分割されるの
で、これらの不利益からは本来、自由でちる：このよう
なビームは明かく共用平面であって、ビーム分割器とミ
ラーとの距離は非常に短く出来る。

マイケル・ノン干渉計に基く、偏光状態測定用の装置の
一例が、７９７７年、化オランダ出版会社紙面２１．．
２−２１．左頁におけるＲ、　Ｍ、　Ａ、アザム（Ａｚ
ｚａｍ　）とＮ、Ｍ、パシャラ（Ｂａ５ｈａｒａ　）に
よる慎エリプソメトリ（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）及
び偏光中に記述され、かつ、７９ｇ３年、物理学誌Ｅ部
門第１６巻乙ｊ４ｔ−６４／頁のＨ，Ｆ、ハゼブロク（
Ｈａｚｅｂｒｏｅｋ　）及びＷ、Ｍ、ビデ−（Ｖｔ５ａ
ｅｒ　）　’Ｉｃよる“自動化され文し−ザーインター
フエロメトリックエリプンメトリ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏ
ｍｅｔｒｉｃ　ｅｌｌｉｐａｏｍｅｔｒｙ　）及び精密
リフレクトメトリ（ｒｅｆｌｅｅｔｏｍｅｔｒｙ　）　
”の報告書中に記述されている。

これらの論文はエリプソメーター、即ち、物体の表面に
よって反射された輻射の偏光状態測定用装置を開示する
。−リプソ゛フラ′−では、偏光輻射はビーム分割器に
より二部分に分割される。その一部分はテスト下の物体
へ送出され、ミラーで反射され、とれてよって物体に反
射して戻シ、−ｔＬで、分割器へと戻る；他方、規準ビ
ームとして働くビームはコーナ反射器へ送出され、そこ
から分割器へ送られる。コーナ反射器は、ドラグラ効果
によシ、規準ブランチの分割器へ送られ友ビーム周波数
を変化するように振動される。ユビームは、分割器によ
って、画周波数を含む単一ビームへと再結合される。テ
スト下の物体上の入射平面に並行及び垂直な成分は分離
され、かつ、異った検波器へ送られる。マイクロプロセ
ッサは検波器によって供給されるビート周波数強度から
必要とされる情報を得る。

この種類のシステムは数多くの欠点を有する。

規準ビーム偏光を保持するため、規準ビームは二反射自
己偏光の中の７個と一致するように選択されねばならな
いので、特に、コーナ反射器位置は臨界的であって；常
に信頼性問題をｔ１起する運動部分が存在しておシ；該
システムは時間中、非常に速い偏光部分の検知を許容せ
ず、低周波数において動作する。

これらの欠点は本発明の装置によって克服され、本発明
の装置中には運動部分は存在せず、がっ、本装置は偏光
状態の非常に短い変動すらをも許容出来るよう、高周波
数（数十乃至数百んＩＨｚ　）で動作する。

本発明は透明−！たは反射物体から出て行く光ビームの
偏光状態測定用マイケルソン干渉計を提供し；単色光源
と、該源から来る元ビームを受信し、部分ビームのｌ対へと
分割し、干渉計のコブランチに沿って前記ビームを送出
し、該部分ビームの伝播方向に垂直なるそれぞれのミラ
ーにて終端し、かつ、前記ミラーで反射された部分ビー
ムを受信し単一ビームへと再結合する光ビーム分割−再
結合装置と、規準ビーム全得る九め、前記ブランチに沿
って送出された部分ビームに予め決定された直線的偏光
状態を与えるべく配列され、かつ、かかるブランチの７
個中に挿入され友手段と、他の部分ビームを周波数シフトするべく配列された手段
であって、該手段は決定されるべき偏光状態を提供する
。及び再結合ビームの等しく偏光され之成分間のビートを提供
する電気的ビームを発生し、かかる電気的信号の強度及
び相対位相より偏光状態？得て、再結合ビームを偏光状
況で解析するべく配列された手段全含み、前記周波数シフト手段が無線周波数信号によって急動さ
れる音響的−光学装置よシなシ、前記装置は該源によっ
て発生され念ビームと同一の周波数を有するビームを受
信し、受信されｔビームと同一の周波数を有する第１ビ
ームを放射し、かつ、受信されたビームと駆動信号周波
数に等しい値だけ異っている周波数を有する第コビーム
を放射し、ミラーの７個へ少くとも第＝ビームを送出し
、該装置は反射されたビームによって再び横断されるよ
うに配列されており、従って第３及び第ダビームを放射
し、受信されたビームと異る周波数を有し、規準ビーム
と再結合される前記第３及び第グピームの少くとも七の
７個を放射する。

実施例本発明をさらに明確化するために、本発明の非制限的例
としてのユ実施例を図解的に示す添附図面を参照して、
説明する。

これらの図面は測定用に用いられる輻射源及び干渉計の
間に位置された単一モード光学ファイバーの出力におけ
る偏光状態の測定に関する本発明の応用を示す。この配
列は、干渉計ブランチに挿入され几ファイバーの長さが
、再結合されるべき二輻射間に正確な位相関係がもはや
存在しないかも知れない程度に、可干渉性源長を超過す
ることがあり得ると云う事実をより良く考慮に入れたも
のである。

第１図を参照して、特殊なスペクトラム要求事項のない
半導体レーデ−１いわゆる光ビーム源／は、レンズ２，
３による適当な光学系を介し、単一モード光学ファイバ
ーの入口で集束され、焦点合わせされる光ビームを放射
する。決定されるべき偏光状態の情報を含み、ファイバ
ーｔから出て行くビームＳはさらに光学系６で集束され
、番号りで指示されるマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏ
ｎ　）干渉計へ送出される。該干渉計はビーム分割−再
結合装置ｇ、送出され７？１．部分的ビームｊｍに入る
分割ビーム５及び反射され友部分的ビームより、及びミ
ラーデ、ＩＯでそれぞれ終端されるコブランチよりなる
。

第１ブランチに沿って送出されたビーム部分ｓ＆は適当
な無線周波数電気信号（即ち、４１０　ＭＨｚ信号）に
よって駆動され、ビーム入射方向に関する適正角度（ブ
ラグアングル、　Ｂｒａｇｇ　ａｎｇｌｅ　）で構築さ
れた光軸に設置され、音響的−光学装置１１に入る。

周知の如く、装置１１は周波数及び方向を変えないで入
力ビーム５＆を介して、電気的駆動信号における。光学
入力輻射の周波数間の差またはその和に等しい周波数で
、第コピーム３ｅを放射する。ビーム３ｃの方向はブラ
グ（Ｂｒａｇｇ　）偏光法則で決定される。即ち、音響
的−光学的内部活動によるビームで影響される偏光ｊａ
−５ｃはブラグ角の二倍に等しいと云われる法則である
。図−の如き配置によって、第２ビーム５ｃは適当な吸
収スクリーンノコで遮断され、一方、ビーム５Ｃはその
伝播方向に垂直にミラー９に達し、音響的−光学装置１
１方向へ反射する。

装ｆ＆１１は受信ビームを周波数シフトさせ、再び偏移
し、そしてビームｓｃ上に動作する。装置ノｌから出て
行き、周波数の２倍の偏移シフトしたビームは入力ピー
ムｊａ上に正しく重畳され、かつ、ビーム分割再結合装
置ｇに達する。不変化で伝播する出力ビームはスクリー
ン／２に類似な装置、または適当な成分配置によって、
遮断され、測定に影響することなしに干渉計から出て行
く。

第２干渉計７の第ツブランチへ投射されたビーム部分よ
りは偏光の充分に画定されたビームを与える装置１３を
通過するよう罠なされる；即ち、装置１３は＋ｒのみに
おいて直線的偏光成分を送出するように配列されたグラ
ン−ティラー（Ｇｌａｎ−Ｔａｙｌｏｒ　）プリズムで
あればよい。プリズム１３から出て行く偏光ビームはミ
ラー１０へ直角に入射し、そして再び分割−再結合装置
ｇに到着する。

このビームは規準ビームを構成する。

分割−再結合装置ｇはビームフグを形成し、該ビームは
規準ビームの送出部分及び周波数偏位ビームの反射部分
よりなる。ビーム１４ＩＬは偏光解析装置１５、いわゆ
る、分割−再結合装置ｇと同じ軸を有する第ニゲラン−
ティラープリズムへ送られる。再結合ビーム／弘のコ輻
射の等しく偏光された成分間のビートはプリズム１５の
コ出力に存在する。これらのビートは検波器１４、、／
７によって検波され、その出力信号は増巾器／ｇ、／デ
で適当に増巾され、そして位相差φ及び比Ｅｘ／’Ｅｙ
を測定及び／ｉたは表示するように測定及び／または表
示装置２０（いわゆるベクトル電圧計及び／ま几はｘ−
ｙモードで動作するオシロスコープ）へ供給される。こ
こに示されないが適当な処理手段が種々の条件下で得ら
れ几２ま友はそれ以上の偏光状態の測定よシ、希望のフ
ァイバー特性２得るだろう。

検波器出力信号はａ／及びａ２及び相対位相φに比例す
る迄巾を有する。事実上、簡単化し、装置ｇから出て行
く反射及び送出ビームは同等強度を有し、ミラー９上の
反射の後、襞ｔ′ｇに到着するビームは電界；Ｃよって
特性つけられる、即ち、Ｅｍｘ＝に、Ｅｏｘ、ｅｘｐ　
［ｉ（ω＋二〇）１）Ｅｍｙ＝に、Ｅｏｙ、ｅｘｐ　（
ｉ　［（ω−）−，４Ω）ｔ＋φ）（２）ここで、Ｅｏ
ｘ＝ｂ、＊／およびＥｏｙ　＝　ｈ　、　ａｕは装置１
１への２重通路前の強度であってに、　ｈ、は前記装置
の効率及び装置ｇで分割されるビームの損失全考慮し友
それぞれの定数であって、かつＱは信号駆動装置１１の
周波数である。

４ｊ’における直線状型光の規準ビームは電界によって
特性づけられ、Ｅｒｘ−Ｅｒｙ＝（Ｅｏ／Ｊ）　＋　ｅｘｐ［ｉ　（ω
ｔ＋φＲ））　　　　（３）ここでＥｏ　、φＲは、下
記で与えられる。

Ｅｏ　＝　Ｅｏｘ　＋Ｅｏｙ　＋２ＥｏｘＥｏｙ−φＲ
＝ａｒｅｔｇ［Ｅｏｙｄｎφ／　（Ｅｏｘ＋Ｅｏｙｃａ
！ｉφ）：］　　　　　　　　（４）電界は！　＋　７
軸に沿う（２）　、　（３）の同類項成分の和の上昇を
与える装置ｇの出力で重畳される。プリズム／左は検波
器／乙へＸ軸に沿って偏光され几成分を送出し、かつ、
ｙ軸に沿って偏光された成分全検波器／７へ送出する。

検波器からの出力信号は検波された赤成分の強度（即ち
、二乗）に比例する。従って、増巾器／ｇ、／９でフィ
ルタされ、検波器／１．、、／７から出力される電流成
分が除去されると、測定及び／あるいは表示する装置２
０へ送出される、対応する電気信号ＳＸ　＋　８３’は
同類項界成分（２）　、　（３）間のビートに比例する
。Ｓｘ。

ｓｙは従って；ビームの周波数差に等しい周波数におけ
る発振電気信号であって、かつ、それぞれの強度を有す
るだろう。

Ｓｘ＝に、Ｅｏ、Ｅｏｘｃｍ（２Ｑｔ−φＲ）Ｓｙ＝に
、Ｅｏ、Ｅｏｙｃａｓ（，２Ωを一φＲ＋φ）（５）こ
れらの関係から、；信号間の位相差は事実上φであって
、Ｅｏｘ　、　ＥｏｙＯ値全考慮に入れると、これらの
振巾はａ／と１２にそれぞれ比例することが判明する。

第２図の実施例では、７０で指名される干渉計は光学系
６で集束されたビーム５を直接音響的−再結合装置２１
に送出し、第１図における分割−再結合装置ｇ及び装置
１１の両者の機能を有する。

ビーム！は装置２ノへその光軸に対するブラグ角度で入
射する。非偏移出力ビーム、５−ｄは全反射プリズム２
．２で集められ、かつ、プリズムで反射され友ビームの
伝播方向に直角に、ミラー２３へ送出される。この反射
され几ビームはプリズム２２及び装置２１へと送出され
る。偏移し、かつ、周波数シフトした出力ビーム３ｅは
これとは反対に、第１図のミラー１０及びプリズム１３
と同じグランティラープリズム２ケ及びミラー；５へ送
出される。

プリズム２２はビーム５ｄ、３８間の正しい空間的分離
及びプリズム２１１．及びミラー２Ｓの容易な位置をコ
ビーム間の小角度にもかかられず許容する：これは制限
され友長さ方向の干渉計寸法を許容するｔめて役立つ。

この配列による装置２１は、入射ビーム５で形成された
ものと類似の周波数シフｔｔ−ミラー２３゜；Ｓによジ
、反射ビームに生じしめる。従って、ビームタｄは周波
数ω−Ω（偏移された）でビームに対して上昇を与え、
かつ周波数ω＋Ω（非偏移状態）でビームに上昇を与え
るだろう；ビーム！＠から得られる非偏移ビーム及びビ
ーム５ｄから得られる偏移ビームは再結合ビーム、２７
に重畳ｌｉｔ、かつ、検波器／７．１ｇ−ｆ介して連続
するヘテロダイン検波及び偏光解析用グランティラープ
リズム１５へと、プリズム２．２に似友動作の第。

二の全反射プリズム２乙を通過して、送出される。

ビーム５ｄから得られる非偏移ビーム及びビーム５ｅか
ら得られる偏移ビームはビーム左上に重畳され、かつ、
装置２１と光学系乙の間に挿入された絞り２ｇ全使用し
て、整列チェックのために利用され得る。同様な絞りが
半導体レーザキャピテイへの再突入からビーム全保護す
るために用いられ得て、これにより、可干渉性光路長全
変化させる。

第１図の実施例で上述された内容は、ビートが光学的周
波数ω−Ω及びω＋Ω間で始まり、かつ。

周波数ω及びω＋２Ω間ではないこと？別として、第２
図の実施例に応用される。

上述の説明は、本発明が既知の装置の欠陥を除去するも
のであることを明白に示している。実際、その中には運
動する部分がなく、従って運８を発生させるために設計
された機械的装置は、もはや必要ではない；両ブランチ
のミラーは単一平面ミラーであって、かつ、従来技術の
コーナー反射器に類似の複合部材ではなく、干渉計平面
に関する反射手段の臨界確立の発生について問題全提起
しない；駆動装置１１または２ノに使用される普通周波
数をもってして、偏光情報を含有する電気信号は少くと
も数／　ＯＭＨｚの周波数を有するので、従って偏光の
状態の非常に短い変動すらも観察出来る。

変更は本発明のスコープから逸脱することなしに明かに
可能である。即ち、決定される偏光の状態が可干渉性光
源の長さより非常に小さい厚みの透明体、または反射サ
ンプル（エリプンメトリ測定における）に課せられるな
らば、それらはプリズム１３もしくは２りを含まないブ
ランチの干渉計内に挿入可能である。送出されたビーム
に関する測定の説明において、偏光状態より、物体の光
学的特性を得るに必要な処理は、元ビームによる物体の
二重交叉全式中で考慮に入れるよう変更する必要がある
が、これは当業界の熟達者にとっては、容易なことであ
って、何ら困難を与えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例を示し、第２図は第２の実施例２
示す、図解的図面である。／・・・光ビーム源、ユ、３・・・レンズ、り・−・フ
ァイバー、り・・・ビーム、乙・・・光学系、７・・・
マイケルソン干渉計、ｇ・・・ビーム分割再結合装置、
９．１０・・・ミラー、１１・−音響的一光学装置、／
２−吸収スクリーン、１５・・・プリズム、１４、、　
／７・・・検波器、７ｇ、／９・−・増巾器、２Ｑ・・
−表示装置、２２・・・全反射プリズム、２≠・・・グ
ランティラープリズム、２夕・−・ミラー、；乙・・・
第２全反射プリズム、２ｇ・・・絞り。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）透明または反射する物体から出て行く輻射の偏光
状態を測定するためのヘテロダインマイケルソン干渉計
であつて、単色光ビーム源（１）と、該源（１）より来る光ビーム（５）を受信し、部分ビー
ム（５ａ、５ｂ；５ｄ、５ｅ）の対に分割し、部分ビー
ムの伝播方向に垂直に配列されたそれぞれのミラー（９
、１０；２３、２５）で終端する干渉計の２ブランチに
沿つて、かかる部分ビーム（５ａ；５ｂ；５ｄ；５ｅ）
を送出し、そして受信し、かかるミラー（９、１０；２
３、２５）によつて反射された部分ビームを単一ビーム
に再結合する光ビーム分割−再結合装置（８；２１）と
、かかるブランチの１個に挿入され、規準ビームを得るた
めに偏光の予め決定された直線的状態をそれに沿つて送
出された部分ビームに与える手段（１３；２４）と、決定されるべき偏光状態を提供する、他の部分ビームを
周波数シフトする手段（１１、２１）、及び再結合されたビーム（１４；２７）を偏光状況で解析し
、再結合されたビームの等しく偏光された成分間のビー
トを提供する電気信号を発生し、かつ、かかる電気信号
の相対位相及び強度から偏光状態を得る手段（１５、１
６、１７、１８、１９、２０）、よりなり、該周波数シフト手段は無線周波数で駆動される音響的−
光学装置（１１、２１）を含み、該装置は決定されるべ
き偏光状態を提供するビーム（５）を受信し、受信され
たビームと同一の周波数を有する第１ビームを放射し、
かつ、駆動信号周波数に等しい値だけ、受信されたビー
ムより異る周波数を有する第２ビームを放射し、ミラー
（９、２３）の１個へ少くとも第２ビームを送出し、該
装置（１１；２１）は反射されたビームによつて再び横
断されるように配列されており、従つて第３及び第４ビ
ームを放射し、少くともその１ビームは受信されたビー
ムと異る周波数を有し、かつ、規準ビームと結合される
ことを特徴とする前記ヘテロダインマイケルソン干渉計
。
（２）前記音響的−光学装置（１１）はビーム分割装置
（８）から出て行く第２部分ビーム（５ａ）の経路に沿
つて挿入され、かつ、かかる第２部分ビームと規準ビー
ムを、その前者が該音響的−光学装置（１１）を駆動す
る信号の周波数の２倍に等しい周波数シフトを受けた後
、再結合するように配列されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の干渉計。
（３）前記音響的−光学装置（２１）は該源（１）によ
つて放射されたビームの経路に沿つて挿入され、かつ、
ビーム分割再結合装置を形成し、該音響的−光学装置（
２１）によつて放射された第１及び第２ビーム（５ｄ、
５ｅ）が前記第１及び第２部分ビームを形成することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の干渉計。
（４）前記音響的−光学装置（２１）は、該源から来る
ビーム（５）がその光学的長さ方向軸に対するブラグ角
度において入射するように、設置されており、前記装置
（２１）は該源によつて放射されたビーム及び該音響的
−光学装置（２１）を駆動する信号周波数の和及び差の
各々を有するビームを再結合することを特徴とする特許
請求の範囲第３項記載の干渉計。
（５）部分ビームの１個の経路に沿い、音響的−光学装
置（２１）とミラー（２３）との間及び再結合されたビ
ームの該経路に沿い、該音響的−光学装置（２１）と偏
光解析用の手段（１５）との間に、全反射プリズム（２
２、２６）が位置され、ミラー（２３）及び偏光解析用
手段（１５）のそれぞれにこのようなビームを送出し、
そして前記ビーム（５ｄ、２７）及び最も近接している
（５ｅ、５）間の空間的分離を改善することを特徴とす
る特許請求の範囲第３項または第４項記載の干渉計。
（６）該音響的−光学装置（２１）は、ミラー（２３、
２５）による反射の後の部分ビームによつて再び横断さ
れる時、入射ビームと同じ周波数を有するビームを発生
し、かつ、該入射ビームと同じ経路に沿つて、かかるビ
ームを反射し返すように配列されており、絞り（２８）
が干渉計成分の整列のチェックのため、かかるビームを
遮断するべく用意され、かつ１または、該源への再突入
から、かかるビームを保護するべく用意されていること
を特徴とする特許請求の範囲第３項〜第５項のいずれか
の１項に記載の干渉計。
（７）該源（１）及び該ビーム分割−再結合手段（８；
２１）の間に配列された単一モード光学ファイバー（４
）の出力における偏光状態測定用に使用されることを特
徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれかの１
項に記載の干渉計。